非简谐振动对SiC类石墨烯热输运性质的影响

考虑到原子的非简谐振动,应用固体物理理论和方法,计算了SiC类石墨烯的简谐系数和非简谐系数,得到它的德拜温度、热容量和热导率等随温度的变化规律,探讨了原子非简谐振动对它的热输运性质的影响.结果表明:SiC类石墨烯的德拜温度随温度的升高而在117-126 K之间线性增大,定容比热随温度升高而非线性增大,热导率随温度升高而非线性减小,温度较低时变化较快,而温度较高时变化较慢,并随着温度升高而趋于常量;考虑到非简谐振动后,SiC类石墨烯的德拜温度、定容比热和热导率的值分别大于、小于和大于简谐近似的相应值,温度愈高,其差值愈大,即温度愈高,非简谐效应的影响愈显著;二维平面状的SiC类石墨烯的定容比热和热导率随温度的变化规律,与三维块状SiC晶体总体趋势相同,只是具体数值不同.     

非简谐振动对SiC类石墨烯热输运性质的影响

考虑到原子的非简谐振动,应用固体物理理论和方法,计算了SiC类石墨烯的简谐系数和非简谐系数,得到它的德拜温度、热容量和热导率等随温度的变化规律,探讨了原子非简谐振动对它的热输运性质的影响.结果表明:SiC类石墨烯的德拜温度随温度的升高而在117-126 K之间线性增大,定容比热随温度升高而非线性增大,热导率随温度升高而非线性减小,温度较低时变化较快,而温度较高时变化较慢,并随着温度升高而趋于常量;考虑到非简谐振动后,SiC类石墨烯的德拜温度、定容比热和热导率的值分别大于、小于和大于简谐近似的相应值,温度愈高,其差值愈大,即温度愈高,非简谐效应的影响愈显著;二维平面状的SiC类石墨烯的定容比热和热导率随温度的变化规律,与三维块状SiC晶体总体趋势相同,只是具体数值不同.     

非简谐振动和形变对ZnSe类石墨烯德拜温度热容量以及极性的影响

应用哈里森(Harrison)键联轨道法和固体物理理论和方法,考虑到原子的高阶非简谐振动,计算了ZnSe类石墨烯化合物的σ键和π键的极性、简谐系数和非简谐系数,得到它的德拜温度和定容热容量随温度变化的解析式以及形变引起的极性参量的改变量,探讨了形变对ZnSe类石墨烯极性的影响,并讨论了原子非简谐振动对化合物热力学性质的影响,结果表明:在300 K到1600 K温度区间内,简谐近似下,ZnSe的德拜温度为常量,热容量随着温度的升高呈非线性增大,其中温度较低时变化较快,温度较高时变化较慢并随着温度的升高而趋于常量.考虑到非简谐项后,德拜温度随着温度升高而增大,几乎为正比关系,而热容量的值比简谐近似的值有所减小,与第一非简谐项的影响相比,第二非简谐项的影响很小.形变对ZnSe类石墨烯的极性有重要的影响,在它的几种形变中,剪切形变对σ键的极性的影响最大,而键长形变对π键的极性的影响最小.温度愈高,非简谐效应愈显著.     

石墨烯力常数和弹性波波速随温度变化规律研究

在哈里森键联轨道法框架下,考虑到原子的短程相互作用和原子的非简谐振动,建立石墨烯弹性模型并求出原子振动的简谐系数和非简谐系数。在此基础上,确定了石墨烯的力常数和弹性波波速随温度和形变势参量的变化关系式,探讨了原子非简谐振动对它们的影响。结果表明：（1）石墨烯的力常数和弹性波波速均随温度升高而非线性减小,但有不同的变化特征：在C11、C12、C44这三个力常数中,以C12随温度的变化最大,以C44的变化最小;纵波波速随温度的变化要大于横波;（2）石墨烯的三个力常数随形变势参量的变化有不同的特征：C11随η和γ的增大而增大、而C12则随η的增大而减小,随γ的增大而增大;C44随η的增大而增大,而几乎不随γ而变;（3）若不考虑原子振动的非简谐项,则石墨烯的力常数和弹性波波速均为常数。考虑到非简谐项后,不仅它们均随温度的升高而减小,而且,非简谐情况的力常数Cij和弹性波波速vi与简谐近似的值Cij0、vi0的差|Cij－Cij0|、|vi－vi0|均随温度的升高而增大,即温度愈高,非简谐效应愈显著。     

石墨烯力常数和弹性波波速随温度变化规律研究

在哈里森键联轨道法框架下,考虑到原子的短程相互作用和原子的非简谐振动,建立石墨烯弹性模型并求出原子振动的简谐系数和非简谐系数。在此基础上,确定了石墨烯的力常数和弹性波波速随温度和形变势参量的变化关系式,探讨了原子非简谐振动对它们的影响。结果表明：（1）石墨烯的力常数和弹性波波速均随温度升高而非线性减小,但有不同的变化特征：在C11、C12、C44这三个力常数中,以C12随温度的变化最大,以C44的变化最小;纵波波速随温度的变化要大于横波;（2）石墨烯的三个力常数随形变势参量的变化有不同的特征：C11随η和γ的增大而增大、而C12则随η的增大而减小,随γ的增大而增大;C44随η的增大而增大,而几乎不随γ而变;（3）若不考虑原子振动的非简谐项,则石墨烯的力常数和弹性波波速均为常数。考虑到非简谐项后,不仅它们均随温度的升高而减小,而且,非简谐情况的力常数Cij和弹性波波速vi与简谐近似的值Cij0、vi0的差|Cij－Cij0|、|vi－vi0|均随温度的升高而增大,即温度愈高,非简谐效应愈显著。     

传感器电解质材料热膨胀性能和热稳定性变化规律研究

以ZrO2固体电解质材料为例,研究氧传感器电解质材料原子振动特点和热膨胀系数及其热稳定性随温度和时间的变化规律,探讨原子非简谐振动的影响。结果表明：原子振动的频率、阻尼系数,在简谐近似下为常数,在考虑到非简谐效应后随温度升高而增大;原子平均位移和热膨胀系数在简谐近似下为零,在考虑到非简谐效应后随温度升高而增大,随的时间的增长而减小;热膨胀性能稳定性温度系数随温度的升高而减小,随时间的增长而增大,即使用时间越长,材料的热膨胀性能稳定性越低;温度越高,热膨胀性能越稳定;非简谐情况下的原子振动的频率、阻尼系数和热膨胀系数与简谐近似下的差值随温度的升高而增大,即温度越高,非简谐效应越显著。     

石墨烯力常数和弹性波波速随温度变化规律研究

在哈里森键联轨道法框架下,考虑到原子的短程相互作用和原子的非简谐振动,建立石墨烯弹性模型并求出原子振动的简谐系数和非简谐系数.在此基础上,确定了石墨烯的力常数随温度和形变势参量的变化关系式,以及弹性波波速随温度和形变势参量的变化关系式,并探讨了原子非简谐振动对它们的影响.结果表明:(1)石墨烯的力常数和弹性波波速均随温度升高而非线性减小,但有不同的变化特征:在C_(11)、C_(12)、C_(44)这三个力常数中,以C_(12)随温度的变化最大,以C_(44)的变化最小;纵波波速随温度的变化要大于横波;(2)石墨烯的三个力常数随形变势参量的变化有不同的特征:C_(11)随η和γ的增大而增大、而C_(12)则随η的增大而减小,随γ的增大而增大;C_(44)随η的增大而增大,而几乎不随γ而变;(3)若不考虑原子振动的非简谐项,则石墨烯的力常数和弹性波波速均为常数.考虑到非简谐项后,不仅它们均随温度的升高而减小,而且,非简谐情况的力常数C_(ij)和弹性波波速v_i与简谐近似的值C_(ij)~0、v_i~0的差|C_(ij)-C_(ij)~0|、|v_i-v_i~0|均随温度的升高而增大,即温度愈高,非简谐效应愈显著.     

外延石墨烯电导率和费米速度随温度变化规律研究

考虑到原子的非简谐振动和电子-声子相互作用,建立了金属基外延石墨烯的物理模型,用固体物理理论和方法,得到金属基外延石墨烯的电导率和费米速度随温度变化的解析式.以碱金属基底为例,探讨了基底材料和非简谐振动对外延石墨烯电导率和费米速度的影响.结果表明:1)零温情况下,碱金属基外延石墨烯的电导率和费米速度均随基底元素原子序数的增大而增大;2)外延石墨烯的电导率随温度升高而减小,其中,温度较低时时变化较快,而温度较高时则变化很慢,费米速度随温度升高而增大,其变化率随基底材料原子序数的增大而增大;3)原子非简谐振动对外延石墨烯的电导率和费米速度有重要的影响,简谐近似下,费米速度为常数,电导率的温度变化率较大;考虑到原子非简谐项后,费米速度随温度升高而增大,电导率的温度变化率减小;温度愈高,原子振动的非简谐效应愈明显.     

石墨烯低温热膨胀和声子弛豫时间随温度的变化规律

考虑到原子非简谐振动和电子-声子相互作用,用固体物理理论和方法研究了石墨烯格林艾森参量和低温热膨胀系数以及声子弛豫时间随温度的变化规律,探讨了原子非简谐振动项对它们的影响.结果表明:1)在低于室温的温度范围内,石墨烯的热膨胀系数为负值,随着温度的升高,其热膨胀系数的绝对值单调增加,室温热膨胀系数为-3.64×10~(-6)K~(-1);2)简谐近似下的格林艾森参量为零.考虑到非简谐项后,格林艾森参量在1.40-1.42之间并随温度升高而缓慢增大,几乎成线性关系,第二非简谐项对格林艾森参量的影响小于第一非简谐项;3)石墨烯声子弛豫时间随着温度的升高而减小,其中,温度很低(T10 K)时变化很快,此后变化很慢,当温度不太低(T300 K)时,声子弛豫时间与温度几乎成反比关系.     

空位缺陷对金属基外延石墨烯态密度和电导率的影响

考虑到空位缺陷的存在和原子非简谐振动,以铜、镍基外延石墨烯为例, 研究了金属基外延石墨烯空位缺陷浓度和态密度以及电导率随温度的变化规律,探讨了空位缺陷的影响。结果表明：(1) 空位缺陷浓度随温度升高而非线性增大,外延石墨烯的空位缺陷浓度及其随温度的变化率均大于石墨烯; (2) 与石墨烯相同,金属基外延石墨烯的态密度变化曲线对电子能量为0为对称,但空位缺陷的存在使态密度在电子能量为零时的值不为零,空位缺陷对导带态密度的影响大于价带;态密度随空位缺陷浓度的增大而线性减小,但减小幅度不大,而温度对石墨烯态密度几乎无影响;（3）金属基外延石墨烯的电导率近似等于电子声子相互作用贡献的电导率,并随温度升高而非线性减小;空位缺陷的存在使电导率有所减小,但只在较高温度下才明显。原子非简谐振动情况的电导率稍大于简谐近似的电导率,温度愈高,两者电导率的差愈大,即非简谐效应愈显著。     

Temperature-Dependent Debye Temperature and Specific Capacity of Graphene

The shot-range interaction and the atomic anharmonic vibration are both considered,and then the analytic functions of the Debye temperature,the specific capacity and the thermal conductivity of graphene with the temperature are obtained.The influence of anharmonic vibration on these thermal physical properties is also investigated.Some theoretical results are given.If only the harmonic approximation is considered,the Debye temperature of the graphene is unrelated to the temperature.If the anharmonic terms are considered,it increases slowly with the increasing temperature.The molar heat capacity of the graphene increases nonlinearly with the increasing temperature.The mean free path of phonons and the thermal conductivity of the graphene decrease nonlinearly with the increasing temperature.The relative changes of the Debye temperature,the specific heat capacity and the thermal conductivity caused by the anharmonic terms increase with the increasing temperature.The anharmonic effect of atomic vibration becomes more significant under higher temperature.     

基于路径积分分子动力学与热力学积分方法的高压氢自由能计算

在相图研究中, 严格计算一个真实系统在特定温度、压强下的自由能是近年来该领域理论方法发展的前沿. 自Mermin提出有限温度密度泛函理论后, 在电子结构层面, 弱关联系统中人们就其在对自由能贡献的描述已相对完善, 但在原子核运动的描述上, 热运动与量子运动的非简谐项却总被忽视. 本文将路径积分分子动力学与热力学积分结合, 对300 GPa下氢晶体Cmca 结构中原子核热涨落与量子涨落对自由能的影响进行了分析. 发现在100 K核量子涨落非简谐项的贡献约为15 meV每原子, 远大于不同结构间静态焓的差别. 该研究提醒人们简谐近似在核量子效应描述中可能存在的不准确性(即使在低温下). 同时, 我们采取的方法 也为人们进行自由能的准确计算提供了一个简单有效的手段.     

Quantum capacitance of the armchair-edge graphene nanoribbon

The quantum capacitance, an important parameter in the design of nanoscale devices, is derived for armchair-edge single-layer graphene nanoribbon with semiconducting property. The quantum capacitance oscillations are found and these capacitance oscillations originate from the lateral quantum confinement in graphene nanoribbon. Detailed studies of the capacitance oscillations demonstrate that the local channel electrostatic potential at the capacitance peak, the height and the number of the capacitance peak strongly depend on the width, especially a few nanometres, of the armchair-edge graphene nanoribbon. It implies that the capacitance oscillations observed in the experiments can be utilized to measure the width of graphene nanoribbon. The results also show that the capacitance oscillations are not seen when the width is larger than 30 nm.     

离子凝胶薄膜栅介石墨烯场效应管

在石墨烯场效应晶体管栅介结构中引入具有良好电容特性或极化特性的材料可改善晶体管性能.本文采用化学气相沉积制备的石墨烯并以PVDF-[EMIM]TF2N离子凝胶薄膜(ion-gel film)作为介质层制备底栅型石墨烯场效应管(graphene-based field effect transistor, GFET),研究其电学特性以及真空环境和温度对GFET性能的影响.结果表明离子凝胶薄膜栅介石墨烯场效应晶体管表现出良好的电学特性,室温空气环境中,与SiO_2栅介GFET相比, ion-gel膜栅介GFET开关比(J_(on)/J_(off))和跨导(g_m)分别提高至6.95和3.68×10~(–2) mS,而狄拉克电压(V_(Dirac))低至1.3 V;真空环境下ion-gel膜栅介GFET狄拉克电压最低可降至0.4 V;随着温度的升高, GFET的跨导最高可提升至6.11×10~(–2) mS.     

Influence of density inhomogeneity on the quantum capacitance of graphene nanoribbon field effect transistors

A semi-analytical model for the capacitance–voltage characteristics of graphene nanoribbon field-effect transistors (GNR-FETs), in the quantum capacitance limit, is presented. The model incorporates the presence of electron–hole puddles induced by local potential fluctuations assuming a Gaussian distribution associated with these puddles. Our numerical results show that the multi-peaks in the non-monotonic quantum capacitance–voltage characteristics are broadened as the potential fluctuation strength increases and the broadening effect is much more pronounced in wide GNRs. The influence of both gate-insulator thickness and dielectric constant scaling on the total gate-capacitance characteristics is also explored. Gate capacitance has non-monotonic behavior with ripples for thin gate-insulators. However, as we go beyond the quantum capacitance limit by increasing insulator thickness or decreasing dielectric constant, the ripples are suppressed and smooth monotonic characteristics are obtained.     

Quantum corrected cell model for an anharmonic generalized Lennard-Jones solid

A simple method is proposed to dispose the quantum effect and anharmonic effect at the same time. Considering the quantum effect is remarkable only at low temperature, and tends to zero at high temperature, the potential energy of an atom is expanded harmonically to consider the quantum effect of solids within the harmonic oscillator framework. The anharmonic effect is remarkable only at high temperature, and tends to zero at low temperature, it was disposed by using a classical approximation. The universal formalism is applied to the generalized Lennard-Jones solid. The comparison shows that the results with and without anharmonic effect are in agreement with each other at some low temperature, to which the Einstein model is applicable. The results without anharmonic effect become divergent at slightly higher temperatures; however, the results including anharmonic effect are in good agreement with the experimental data of solid xenon. The method proposed in this paper can be extended to other potentials to develop practical molecular thermodynamic equations of state for solids.